AIRSPACE - Kombination von passiver und aktiver Sensorik zur flugzeuggetragenen Fernerkundung von Treibhausgasen - Teilprojekt 2: MAMAP2D - Bildgebende Erfassung von Methan-Verteilungen zur Bestimmung von Methan-Emissionen (AIRSPACE - MAMAP2D)

Abstract

Durch anthropogene Treibhausgasemissionen kommt es ohne eine drastische Reduktion der klimarelevanten Emissionen zu einem globalen Anstieg der Temperatur mit allen daraus resultierenden negativen Konsequenzen. Auf Grund ihrer hohen Klimarelevanz tragen natürliche und anthropogene Methanemissionen (CH4) signifikant zur globalen Erwärmung bei. Methan ist neben Kohlenstoffdioxid (CO2) das für die globale Erwärmung zweitwichtigste Treibhausgas, hat aber ein ca. 30-mal höheres Treibhauspotential und eine um eine Größenordnung kürzere Lebensdauer als CO2. Diese Kombination macht CH4 zu einem guten Kandidaten, um durch kurzfristige Reduktionsmaßnahmen eine hohe Wirkung zu erzielen. Die Rolle der Treibhausgase als Hauptantrieb für die globale Erwärmung macht eine ständige Beobachtung ihrer Quellen und Senken unabdingbar. Um lokale Quellen von Methan (z.B. Kohleschächte, Öl-/Gas-Förderung, Mülldeponien, etc.) zu erfassen, können bildgebende quantitative Messmethoden in Kombination mit in-situ Messmethoden einen wichtigen Beitrag leisten. Dies bedarf räumlich hoch-aufgelöster Messungen von CH4-Emissionen wie sie z.B. von Sensoren auf einem Flugzeug durchgeführt werden können. Hauptziel des Vorhabens AIRSPACE-MAMAP2D waren daher Entwicklung, Bau, Test und Demonstration eines abbildenden Spektrometersystems zur flugzeug-gestützten bildgebenden Erfassung von atmosphärischen Methan-Verteilungen zur Bestimmung lokalisierter Methanemissionen. Dazu gehören neben Entwicklung und Bau des Sensorsystems auch die Entwicklung von 2D-Auswertealgorithmen und 2D-Inversionsmethoden. 2D-Auswerte- und Inversionsmethoden sollten beispielhaft auf SENTINEL-5P-Daten angewandt werden, um lokalisierte CH4 Emissionen zu quantifizieren. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein bzgl. Methan hochempfindliches 2-dimensional abbildendes Sensorsystem (MAMAP2D) wurde entwickelt, gebaut, charakterisiert und erfolgreich getestet. Parallel dazu wurden 2-dimensionale Auswertemethoden von Spektren über atmosphärische Methankonzentrationen hin zur Bestimmung von Methanemissionen sowohl für Flugzeug- (AVIRIS-NG, MAMAP2D) als auch für Satellitendaten (Sentinel-5P) entwickelt, erprobt und erfolgreich angewendet. Das Breadboard des Sensorsystems (MAMAP2D-Light) wurde flugerprobt und bereits in Messkampagnen erfolgreich eingesetzt. Dabei konnten Methanemissionen von Mülldeponien und Kohleminen unabhängig bestimmt werden und große Diskrepanzen zwischen berichteten Emissionen und tatsächlichen Emissionen konnten dokumentiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens wurden in Fachpublikationen veröffentlicht. Das Vorhaben legt zudem wichtige Grundlagen zur weltweiten Bestimmung von Treibhausgasemissionen aus Daten des Satelliten Sentinel-5P für starke Punktquellen. Es konnte mittels des bildgebenden flugzeuggestützte Messsystems zur Bestimmung von Emissionen des Treibhausgases Methan zudem demonstriert werden, dass sich damit die Emissionsbestimmung vom Satelliten validieren läßt, ein wichtiger Schritt hin zur zukünftigen satelliten-gestützten Treibhausgasüberwachung im Kontext des Pariser Klimaschutzabkommens, des europäischen Green Deals und des Global Methane Pledges. Die Ergebnisse des Projektes dienen dazu, in der Zukunft mit wichtigen Beiträgen zur Entwicklung eines Verifikationssystems für Treibhaugase leisten zu können. Erste Schritte zur Demonstration des Potentials wurden bereits in einer vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen beauftragen Messkampagne zur Erfassung von Methanemissionen aus der australischen Kohleproduktion erfolgreich umgesetzt.